DE102020207573A1

DE102020207573A1 - Verfahren zum Schweißen mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff und mindestens einem Laserstrahl

Info

Publication number: DE102020207573A1
Application number: DE102020207573.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Schnick; Nils Brocke; Frank Silze
Original assignee: Kjellberg Stiftung
Current assignee: Kjellberg Stiftung
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-12-23
Also published as: EP4168206A1; CA3186503A1; CN115943010A; WO2021255012A1; JP2023531428A; US20230234171A1

Abstract

Bei dem Verfahren zum Schweißen mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff und mindestens einem Laserstrahl, die auf eine Oberfläche mindestens eines zu bearbeitenden Werkstücks (3) gerichtet werden, wird drahtförmiger Zusatzwerkstoff (1) mittels eines entsprechend ausgebildeten Drahtvorschubantriebs (2) in Richtung der Oberfläche des Werkstücks (3) gefördert. Zusatzwerkstoff (1) im Bereich, der unmittelbar oberhalb der jeweiligen Oberfläche angeordnet ist, wird mit der Energie des mindestens einen Laserstrahls (5) während seiner Vorschubbewegung sukzessive abgeschmolzen. Zusatzwerkstoff (1) und Werkstück (3) sind an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen und bilden einen elektrischen Stromkreis. Die elektrische Spannung, der elektrische Strom und/oder der elektrische Widerstand wird gemessen und als Regelgröße für die Drahtvorschubbewegung und/oder die Leistung des mindestens einen Laserstrahls (5) eingesetzt. Bei Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Stroms oder der Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes des elektrischen Widerstands wird die Leistung des Laserstrahls (5) reduziert oder der mindestens eine Laserstrahl (5) wird ab- oder nicht eingeschaltet oder der Start, der Stopp oder der Abbruch des Schweißprozesses initiiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff und mindestens einem Laserstrahl.
Die Ausbildung stoffschlüssiger Verbindungen von Werkstücken oder das Auftragsschweißen, das auch bei der additiven Fertigung eingesetzt werden kann, sind prinzipiell unter Einsatz von Laserstrahlung und drahtförmigem Zusatzwerkstoff bekannt.
Unter den Begriff drahtförmig sollen auch Bänder eines Zusatzwerkstoffs fallen, die nicht vollständig eine konvexe Oberfläche ihrer äußeren Mantelfläche aufweisen. Es können auch gefüllte Zusatzwerkstoffe eingesetzt werden.
Das Schweißen von Bauteilen und die darauf aufbauende additive Fertigung mittels sogenannter Direct Energy Deposition Verfahren ist seit vielen Jahren Stand der Technik. In den letzten Jahren sind hier verstärkt laserbasierte Anwendungen hinzugekommen, bei denen der Drahtwerkstoff entweder seitlich oder koaxial zugeführt werden kann.
Ein grundlegendes Problem bei drahtbasierten Schweißverfahren besteht darin, dass die Drahtposition gerade bei laserbasierten Prozessen exakt stimmen muss, da es sonst zum Zurückbrennen (zu wenig Draht) oder zum Stauchen (zu viel Draht) des Drahtes kommt. Das Problem besteht maßgeblich bei Prozessbeginn. Der Draht muss initial auf das Bauteil oder eine bestimmte Oberfläche positioniert werden. Im Prozess kann es aufgrund von Unregelmäßigkeiten bspw. Variation des Prozessabstandes zum Stauchen des Drahtes kommen. Dies kann zu einem Ausknicken des Drahtes und damit zu Prozessabbruch führen (sog. Drahtstau).
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Positionierung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs zu Beginn des Prozesses zu überwachen, sobald der Draht auf der Oberfläche des jeweiligen Werkstücks oder Bauteils aufsitzt und diese Oberfläche berührt. Zudem soll im Prozess sichergestellt sein, dass der drahtförmige Zusatzwerkstoff mit dem Werkstück bzw. einem Bauteil dauerhaft in Kontakt steht, so dass ein Abriss des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs und ein Zurückbrennen an ihm vermieden sowie eine gleichmäßige Verfahrensführung, bei der der drahtförmige Zusatzwerkstoff in ausreichendem Kontakt mit der jeweiligen Oberfläche steht, erreicht werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem Verfahren werden drahtförmiger Zusatzwerkstoff und mindestens ein Laserstrahl auf eine Oberfläche mindestens eines zu bearbeitenden Werkstücks in an sich bekannter Weise gerichtet. Dabei wird drahtförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines entsprechend ausgebildeten Drahtvorschubantriebs in Richtung der Oberfläche des Werkstücks gefördert und im Bereich des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs, der unmittelbar oberhalb der jeweiligen Oberfläche angeordnet wird, mit der Energie des mindestens einen Laserstrahls während seiner Vorschubbewegung sukzessive abgeschmolzen.
Der drahtförmige Zusatzwerkstoff und das Werkstück sind an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen und bilden einen elektrischen Stromkreis.
Es wird/werden die elektrische Spannung, der elektrische Strom und/oder der elektrische Widerstand im elektrischen Stromkreis gemessen und als Regelgröße(n) für Drahtvorschubbewegung und/oder die Leistung des mindestens einen Laserstrahls eingesetzt, wobei bei Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Stroms oder der Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes des elektrischen Widerstands die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl betrieben wird, reduziert oder der mindestens eine Laserstrahl abgeschaltet oder nicht eingeschaltet wird. Zudem können die Signale genutzt werden um den Start, den Stopp oder den Abbruch des Prozesses zu initiieren.
Eine Reduzierung der Leistung kann bei Einsatz mehrerer Laserstrahlen, die gemeinsam auf den drahtförmigen Zusatzwerkstoff gerichtet werden, auch durch die Abschaltung mindestens eines dieser Laserstrahlen erreicht werden.
Der mindestens eine Laserstrahl kann vorteilhaft abgeschaltet oder nicht eingeschaltet werden, wenn kein elektrischer Strom in dem elektrischen Stromkreis fließt. Alternativ kann dies auch erfolgen, wenn der elektrische Widerstand einen Wert im Bereich 10 Ω bis 1000 Ω erreicht hat.
Es besteht auch die Möglichkeit, die 1. Ableitung mindestens einer der Regelgrößen in einer elektronischen Auswerteeinheit zu bestimmen und bei Überschreiten des Absolutwerts der 1. Ableitung der jeweiligen Regelgröße eines vorgegebenen Schwellwertes die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl betrieben wird, reduziert oder der mindestens eine Laserstrahl abgeschaltet wird.
Es kann aber auch die 1. Ableitung mindestens einer der Regelgrößen in einer elektronischen Auswerteeinheit bestimmt werden und dabei bei Überschreiten des Absolutwerts der 1. Ableitung der jeweiligen Regelgröße eines vorgegebenen Schwellwertes der Drahtvorschub geregelt werden.
Mit Bestimmung des Anstiegs besteht so die Möglichkeit eher zu reagieren. Man muss z.B. nicht abwarten bis tatsächlich kein elektrisch leitender Kontakt zwischen drahtförmigem Zusatzwerkstoff und Werkstoff besteht. Man kann so früher reagieren, wenn z.B. der elektrische Strom stark abfällt oder sich der elektrische Widerstand stark erhöht. So kann man bereits reagieren, wenn der absolute Wert der jeweiligen 1. Ableitung größer 0,5 wird.
Die elektrische Spannungsquelle kann mit einer elektrischen Spannung größer 0 V, beispielsweise bei ca. 5 V betrieben werden. Die elektrische Spannung sollte aber maximal 48 V betragen.
Nach einer Reduzierung der Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl betrieben wird, oder einem Abschalten des mindestens einen Laserstrahls bei Durchführung einer Vorschubbewegung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs kann entweder die Leistung des mindestens einen Laserstrahls auf die normale Betriebsleistung wieder erhöht oder der mindestens eine Laserstrahl wieder eingeschaltet werden, so dass der Prozess wieder weiter geführt werden kann, wenn eine entsprechende Positionierung der in Richtung Werkstückoberfläche weisenden Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs in Bezug zur Werkstückoberfläche erreicht worden ist, bei der eine elektrisch leitende Verbindung erreicht worden ist und durch den elektrischen Stromkreis ein elektrischer Strom fließt. Dabei kann ggf. auch eine Wartezeit eingehalten werden, bevor die elektrische Leistung wieder erhöht oder der mindestens eine Laserstrahl wieder eingeschaltet wird.
Die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl betrieben wird, sollte bei einer Unterschreitung oder einer Überschreitung eines Schwellwertes der jeweiligen Regelgröße(n) so reduziert werden, dass kein Abschmelzen von Zusatzwerkstoff erfolgt. Dadurch können Defekte und Fehler sowie ein Zurückbrennen am drahtförmigen Zusatzwerkstoff vermieden werden.
Dabei sollte die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl betrieben wird, oder der mindesten eine Laserstrahl innerhalb von maximal 100 ms reduziert oder abgeschaltet werden.
Nach einer Reduzierung der Leistung mit der der mindesten eine Laserstrahl betrieben wird oder einem Abschalten des mindestens einen Laserstrahls und dem Erreichen eines Wertes der jeweiligen Regelgröße(n) der über oder unter dem jeweiligen Schwellwert liegt, kann die Leistung des mindesten einen Laserstrahls bis auf seine normale Betriebsleistung erhöht oder der mindestens eine Laserstrahl wieder eingeschaltet werden. Dies kann beispielsweise dann erfolgen, wenn ein entsprechend großer elektrischer Strom im elektrischen Stromkreis fließt, dort eine entsprechend elektrische Spannung anliegt oder der elektrische Widerstand auf einen ausreichend kleinen Wert abgefallen ist.
Dadurch kann der Schweißprozess automatisch wieder begonnen werden, wenn zwischenzeitlich geeignete Verhältnisse vorliegen und insbesondere drahtförmiger Zusatzwerkstoff in Bezug zur Werkstückoberfläche in geeigneter Form positioniert worden ist.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.
Dabei zeigt:

1 in schematischer Form ein Beispiel einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Dabei wird drahtförmiger Zusatzwerkstoff 1 von einem Drahtvorschubantrieb 2 in Richtung auf eine Oberfläche eines Werkstücks 3 durch eine Drahtführung 4 bewegt. Die Drahtführung ist dabei an einen Anschluss einer elektrischen Spannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen. Der zweite Anschluss der elektrischen Spannungsquelle ist mit dem Werkstück 3 elektrisch leitend verbunden.
Außerdem wird ein Laserstrahl 5 auf die in Richtung Werkstückoberfläche weisende Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs 1 gerichtet und dort Werkstoff des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs 1 sukzessive abgeschmolzen, der zum Schweißen genutzt wird.
Zwischen die Anschlusskontakte der elektrischen Spannungsquelle der Drahtführung und dem Werkstück 3 ist eine elektronische Auswerteeinheit 6 vorhanden, die ausgebildet ist, die elektrische Spannung, der elektrische Strom und/oder der elektrische Widerstand im elektrischen Stromkreis zu bestimmen und als Regelgröße für die Drahtvorschubbewegung und/oder die Leistung des mindestens einen Laserstrahls 5 zu nutzen, wie dies im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert ist. Dazu ist die elektronische Auswerte- und Steuereinheit 6 über die Leitungen 7 und 8 mit dem Drahtvorschubantrieb 2 bzw. der Laserstrahlungsquelle oder einer Steuerung der Laserstrahlungsquelle (beides nicht gezeigt) zur Beeinflussung der Drahtvorschubbewegung bzw. der Leistung des Laserstrahls 5 verbunden.

Claims

Verfahren zum Schweißen mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff und mindestens einem Laserstrahl, die auf eine Oberfläche mindestens eines zu bearbeitenden Werkstücks (3) gerichtet werden und dabei drahtförmiger Zusatzwerkstoff (1) mittels eines entsprechend ausgebildeten Drahtvorschubantriebs (2) in Richtung der Oberfläche des Werkstücks (3) gefördert und drahtförmiger Zusatzwerkstoff (1) im Bereich, der unmittelbar oberhalb der jeweiligen Oberfläche angeordnet wird, mit der Energie des mindestens einen Laserstrahls (5) während seiner Vorschubbewegung sukzessive abgeschmolzen wird, der drahtförmige Zusatzwerkstoff (1) und das Werkstück (3) sind an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen und bilden einen elektrischen Stromkreis, wobei die elektrische Spannung, der elektrische Strom und/oder der elektrische Widerstand im elektrischen Stromkreis gemessen und als Regelgröße für die Drahtvorschubbewegung und/oder die Leistung des mindestens einen Laserstrahls (5) eingesetzt wird/werden und bei Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Stroms oder der Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes des elektrischen Widerstands die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl (5) betrieben wird, reduziert oder der mindestens eine Laserstrahl (5) abgeschaltet oder nicht eingeschaltet wird oder der Start, der Stopp oder der Abbruch des Schweißprozesses initiiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Laserstrahl (5) abgeschaltet oder nicht eingeschaltet wird, wenn kein elektrischer Strom in dem elektrischen Stromkreis fließt oder der elektrische Widerstand einen Wert im Bereich 10 Ω bis 1000 Ω erreicht worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 1. Ableitung mindestens einer der Regelgrößen in einer elektronischen Auswerteeinheit (6) bestimmt wird und bei Überschreiten des Absolutwerts der 1. Ableitung der jeweiligen Regelgröße eines vorgegebenen Schwellwertes die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl (5) betrieben wird, reduziert oder der mindestens eine Laserstrahl (5) abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die 1. Ableitung mindestens einer der Regelgrößen in einer elektronischen Auswerteeinheit (6) bestimmt wird und bei Überschreiten des Absolutwerts der 1. Ableitung der jeweiligen Regelgröße eines vorgegebenen Schwellwertes der Drahtvorschub geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannungsquelle mit einer maximalen elektrischen Spannung von 48 V betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Reduzierung der Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl (5) betrieben wird, oder einem Abschalten des mindestens einen Laserstrahls (5) bei Durchführung einer Vorschubbewegung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs (1) entweder die Leistung des mindestens einen Laserstrahls (5) auf die normale Betriebsleistung wieder erhöht oder der mindestens eine Laserstrahl (5) wieder eingeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl (5) betrieben wird, bei einer Unterschreitung oder einer Überschreitung eines Schwellwertes der jeweiligen Regelgröße(n) so reduziert wird, dass kein Abschmelzen von drahtförmigem Zusatzwerkstoff (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung, mit der der mindestens eine Laserstrahl (5) betrieben wird, oder der mindesten eine Laserstrahl (5) innerhalb von maximal 100 ms reduziert oder abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Reduzierung der Leistung mit der der mindesten eine Laserstrahl (5) betrieben wird oder einem Abschalten des mindestens einen Laserstrahls (5) und dem Erreichen eines Wertes der jeweiligen Regelgröße(n) der über oder unter dem jeweiligen Schwellwert liegt, die Leistung des mindesten einen Laserstrahls (5) bis auf seine normale Betriebsleistung erhöht oder der mindestens eine Laserstrahl (5) wieder eingeschaltet wird.